Zerstäubte Metallpulver ermöglichen Herstellungsverfahren wie die additive Fertigung und das thermische Spritzen, die ein Ausgangsmaterial mit maßgeschneiderten Partikelgrößen, Formen und metallurgischen Eigenschaften erfordern. Dieser Leitfaden gibt einen Überblick über Produktionsprozesse, Spezifikationen, geeignete Metalle, Verwendungszwecke, Anbieterauswahl und Alternativen zu handelsüblichen Zerstäubungspulvern.
Zerstäubte Metallpulver Übersicht
Bei der Zerstäubung werden geschmolzene Metallströme in feine kugelförmige Tröpfchen umgewandelt, die schnell in Pulverform abkühlen. Zu den wichtigsten Eigenschaften gegenüber Alternativen wie der chemischen Abscheidung gehören:
- Kontrollierte Partikelgrößenverteilung von 10 Mikron bis 300+ Mikron
- Fähigkeit zur Verarbeitung reaktiver Legierungen in Schutzgasatmosphären
- Schnelle Erstarrung zur Erzeugung feinerer Mikrostrukturen
- Geringerer Gehalt an Sauerstoff- und Stickstoffverunreinigungen
- Kosteneffizienz durch hohe Pulverausbeute bei 50%+
- Anpassungsfähigkeit bei der Vorbereitung der meisten handelsüblichen Metalle und Legierungen
Die Kenntnis der verfügbaren Produktionsmethoden, Spezifikationen, Anwendungen und wirtschaftlichen Aspekte ermöglicht es, die Vorteile und Grenzen der Zerstäubung bei der Auswahl von Metallpulvern richtig zu nutzen.
Verfahren zur Zerstäubung von Metallpulvern
Im industriellen Maßstab ist eine Zerstäubung durch Gas, Wasser oder Zentrifugalverfahren erforderlich:
| Methode | Beschreibung | Verwendete Metalle | Partikelgrößen |
|---|---|---|---|
| Gas | Überschall-Inertgasdüsen wandeln Metallstrom in Pulver um | Am häufigsten. Reaktive Materialien kompatibel | 10 μm - 150 μm |
| Wasser | Wasser unter hohem Druck zersetzt geschmolzenes Metall und setzt es einer schnellen Abschreckung aus | Hauptsächlich Kupfer und Eisen. Begrenzte reaktive Materialien | 5 μm - 350 μm |
| Zentrifugal | Geschmolzenes Metall, das von einer sich drehenden Scheibe nach außen beschleunigt wird. Kühlt schnell zu Pulver ab. | Mit den meisten Metallen kompatibel. Geringeres Reaktionsvermögen | 45 μm - 1 mm+ |
Tabelle 1. Großtechnische Zerstäubungstechniken für die Herstellung von Metallpulvern neben Leistungsmerkmalen
Jede Technik bietet einzigartige Vorteile in Bezug auf die Partikelgrößenbestimmung, die Pulverausbeute, die Abschreckraten und die Kompatibilität mit dem gesamten Universum der expansiven Metalle.
Metalle und Legierungen, die mit der Atomisierung kompatibel sind
Die meisten handelsüblichen Metalle und Legierungen können durch Zerstäubung verarbeitet werden:
- Aluminium- und vanadiumhaltige Titanlegierungen
- Superlegierungen wie Inconel auf Nickelbasis und Haynes-Legierungen auf Kobaltbasis
- Hochtemperaturmetalle wie Molybdän, Wolfram und Tantal
- Reaktive Elemente wie Chrom und Mangan
- Edelmetalle wie Gold, Silber und Platin
- Refraktärmetalle: Niob, Zirkonium und Hafnium
- Gängige austenitische nichtrostende Stähle 316L und 304L
Die starke chemische Reaktivität im geschmolzenen Zustand schränkt die Anwendbarkeit für einige elementare Metalle wie reines Mangan oder Chrom ein. Durch das Mischen zu Legierungen werden die Nachteile der Reaktivität jedoch durch die Kompatibilität mit der Zerstäubung gemildert - ein Vorteil gegenüber anderen Verfahren der Pulverherstellung.
Merkmale und Eigenschaften von Zerstäubte Metallpulver
Die Zerstäubung liefert Metallpulver mit maßgeschneiderten Pulvereigenschaften, die den Anforderungen des Produktionsprozesses entsprechen:
Partikelgrößenverteilungen
- Abstimmbar von 10 Mikron bis 1 mm Größe, siebbar in präzise Fraktionen
Partikelform
- Überwiegend kugelförmige Morphologien, insbesondere bei der Zerstäubung mit Inertgas
Innere Porosität
- Schnelle Erstarrung und inerte Verarbeitung minimiert eingeschlossene Gase, die Hohlräume bilden
Chemische Reinheit
- 99%+ erreichbar für mit Inertgas zerstäubte Materialien. Wasserzerstäubung etwas weniger.
Oberfläche Oxid
- Bei der Wasserzerstäubung wird im Vergleich zu inerten Zerstäubungsschutzmitteln 5-15 mal mehr Sauerstoff an der Oberfläche mitgerissen
Mikrostrukturelle Phasen
- Abgerundet durch schnelles Abschrecken im Vergleich zu gegossenen Gegenstücken aus Barren
Die Fähigkeit zur Optimierung der Partikelgröße und der Formparameter bei gleichzeitiger Beibehaltung hoher chemischer Reinheit und günstiger Mikrostrukturen eignet sich für zerstäubte Metallpulver als Ausgangsmaterial für die additive Fertigung, bei der diese Eigenschaften einen entscheidenden Einfluss auf den Prozesserfolg und die erzielten Endleistungen der Teile haben.
Spezifikationen für die Metallpulvergröße durch Zerstäubung
Zerstäubte Metallpulverchargen werden anhand der Partikelgrößenverteilung klassifiziert. Übliche Siebgrößen sind:
| Masche | Mikron Größe | Typische Verwendung |
|---|---|---|
| +100 | >150 μm | Thermisches Spritzen von Komponenten und Beschichtungen |
| -100 +325 | 105 - 150 μm | Vorprodukte für das heißisostatische Pressen |
| -325/+500 | 32 - 105 μm | 3D-Druck mit Binderstrahl/Kaltspray |
| -500 | <32 μm | Additive Fertigung durch Pulverbettschmelzen |
Tabelle 2. Partikelgrößenkategorien für klassifizierte zerstäubte Metallpulver, die auf die Kompatibilität der Herstellungsverfahren abgestimmt sind
Die meisten firmeneigenen Zerstäubungssysteme zielen auf eine Ausbeute von 50%+ an Pulver ab, das nach der Siebtrennung von Über- und Unterkornfraktionen, die in den Prozessschmelzestrom zurückgeführt werden, innerhalb der Spezifikationen für die Herstellungsqualität gesammelt wird.
Industriespezifikationen für atomisierte Metallpulver
Verschiedene Verbände unterhalten Normen für die Zusammensetzung, die chemischen und physikalischen Eigenschaften von handelsüblichen Metallpulvern:
| Entität | Standard-Nummer | Abgedeckte Metalle |
|---|---|---|
| ASTM International | F3049 | Titan und Titanlegierungen |
| ASTM International | F3056 | Nickel und Nickellegierungen |
| ASM International | MMPDS-06 | Eigenschaften mehrerer Metallmaterialien |
| APMI Int'l | ANSI/APMI B.101 | Kupfer und Kupferlegierungen |
Tabelle 3. Handelsgruppen, die Spezifikationen für gesiebte Chemikalien und Pulvermetriken anbieten, die für die Qualitätssicherung bei zerstäubten Materialien nützlich sind
Darüber hinaus bieten einzelne Hersteller eng gefasste Spezifikationen an, die sich auf einzigartige Legierungen oder spezielle Eigenschaften wie maximale Sauerstoff- oder Stickstoffgrenzwerte beziehen, die für die Verarbeitung reaktiver Legierungen entscheidend sind.
Die Überprüfung der Zertifizierungsbereiche stellt sicher, dass die Normen die vom Käufer geforderten Zusammensetzungsfenster, die zulässigen Pulvereigenschaften, wie z. B. die Durchflussraten in der Halle, und die chemischen Reinheitsgrade, die sowohl den Zerstäubungsmöglichkeiten als auch den Anforderungen des nachfolgenden Produktionsprozesses entsprechen, ordnungsgemäß abdecken.
Anwendungen und Verwendungszwecke für zerstäubtes Metallpulver
Metallpulver ist ein wichtiges Ausgangsmaterial für die industrielle Fertigung und wird unter anderem in folgenden Bereichen eingesetzt:
Additive Fertigung
- Komponenten für die Luft- und Raumfahrt - Turbinenschaufeln, Tragflächenprofile
- Medizinische Implantate - Hüft-, Knie- und Zahnersatz
- Werkzeugbau - Leichte, konform gekühlte Kunststoff-Spritzgießformen
- Chemische Reaktoren - Strukturierte Katalysatorträger mit großer Oberfläche
Thermisches Spray
- Korrosionsschutzbeschichtungen für Öl und Gas - Bohrlochwerkzeuge
- Abriebfeste Druckwalzenoberflächen
- Chrom-Ersatzoberflächen für Kraftfahrzeuge
- Architektonische Glasformen mit hoher Trennwirkung und geringer Reibung
Pulvermetallurgie
- Kfz-Getriebe und Motorkomponenten
- Dauermagnete in Motoren und Sensoren
- Diamant-Werkzeugeinsätze und Schneidwerkzeuge
- Elektrische Kontakte unter Ausnutzung der spezifischen Leitfähigkeit
Die Basisrohstoffe eignen sich für alle Anwendungen, die eine Kombination aus Chemie und raffinierter Pulvertextur erfordern, die sich zu Endgeometrien verfestigen lässt.
Zerstäubtes Metallpulver Hersteller und Verkäufer
Zu den weltweit führenden Anbietern von Zerstäubungsanlagen für die Medizin, die Luft- und Raumfahrt und die Industrie gehören:
| Unternehmen | Standort |
|---|---|
| Sandvik | Schweden |
| Tischlertechnik | Vereinigte Staaten |
| Praxair | Vereinigte Staaten |
| Höganäs | Schweden |
| PyroGenesis | Kanada |
| Erasteel | Frankreich |
Tabelle 4. Namhafte Hersteller, die zerstäubtes Metallpulver mit verschiedenen Verfahrenstechniken herstellen
Sekundärhändler vertreiben auch Pulver, aber die beste Praxis ist die direkte Beschaffung bei den Werken, um die Rückverfolgbarkeit der Partien zu gewährleisten und die Qualitätsrisiken zu eliminieren, die durch die Verunreinigung von Materialien zwischen den großen Herstellern und den Endteilherstellern entstehen.
Preisgestaltung für Zerstäubte Metallpulver
Die Preise variieren je nach Zusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, Produktionsmenge und Qualität:
| Material | Preis pro Kilogramm |
|---|---|
| Titan Ti64 | $50 - $150 |
| Nickel-Superlegierungen | $50 - $250 |
| Rostfreie Stähle | $5 - $30 |
| Werkzeugstähle | $2 - $15 |
Nischenlegierungen, die in kleinen Chargen hergestellt werden, erfordern höhere Preise, die die Umstellung der Öfen ausgleichen. Gebrauchsmetalle wie rostfreier Stahl, die in großen Mengen wiederaufbereitet werden, sind am kostengünstigsten. Die Käufer überprüfen jedoch den fairen relativen Wert, indem sie die daraus resultierenden Leistungssteigerungen mit der Verwendung in Endkomponenten vergleichen.
Vor- und Nachteile von atomisiertem Metallpulver
Vorteile von zerstäubten Metallpulvern:
- Kontrollierte Partikelgrößenverteilungen bei kommerziellen Produktionsraten
- Sphärische Pulvermorphologie aus Inertgasprozessen
- Schnelle Erstarrung und inerte Verarbeitung sorgen für chemische Sauberkeit
- Passt sich an eine breite Palette von Anforderungen an Speziallegierungen an
Beschränkungen zu berücksichtigen:
- 10- bis 100-fache Steigerung der Rohstoffkosten gegenüber Knetprodukten
- Begrenzte On-Demand-Flexibilität mit langen Vorlaufzeiten
- Es ist darauf zu achten, dass die Pulverqualitäten und die Kosten für den Ballon nicht zu hoch angesetzt werden.
Die richtige Abwägung von Vorteilen und Einschränkungen hilft, überhöhte Ausgaben zu vermeiden, nur um Schlagworttechnologien einzusetzen, die keinen nennenswerten Kundennutzen bringen.
Vergleiche mit anderen Methoden der Metallpulverherstellung
Kompromisse zwischen den gängigen Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern:
| Methode | Skalierbarkeit | Kosten | Reinheit | Partikelkontrolle | Metalle Beschränkungen |
|---|---|---|---|---|---|
| Zerstäubung | Sehr hoch | $$$$ | Hoch | Ausgezeichnet | Einige elementare Metalle |
| HDH | Niedrig | $ | Mittel | Schlecht | Pyrophorik |
| Elektrolyse | Hoch | $$ | Mittel bis Hoch | Mäßig | |
| Chemische Fällung | Hoch | $ | Mittel | Schlecht |
Tabelle 5. Qualitative Vergleiche zwischen verschiedenen Methoden zur Herstellung von Metallpulver im kommerziellen Maßstab
Die Zerstäubung ermöglicht zwar die Herstellung großer Mengen mit optimierten Pulvereigenschaften, erfordert jedoch einen Preisaufschlag, der die Akzeptanz in kostenempfindlichen Branchen wie der Automobilindustrie einschränken könnte.
Häufig gestellte Fragen
F: Was ist der Hauptzweck der Zerstäubung von Metallpulvern?
A: Präzise Steuerung der Parameter für Partikelgröße und -form, die sonst bei anderen Verfahren zufällig sind, um die strengen Anforderungen der additiven Fertigungsverfahren zu erfüllen.
F: Behalten recycelte Metallpulver ihre ursprünglichen Eigenschaften bei?
A: Ja, Faktoren wie Sauerstoffaufnahme und mikrostrukturelle Phasen bleiben weitgehend unverändert, so dass die Wiederverwendung als Ergänzung zu neuen Produktionspulvern möglich ist.
F: Können mit der Gaszerstäubung Pulvergrößen unter 10 Mikron erreicht werden?
A: Extrem feine Verteilungen unter 5 Mikron sind möglich, aber bei sehr geringen Ausbeuten für die kommerzielle additive Fertigung nicht wirtschaftlich, da die Oberfläche die Reaktivität bestimmt.
F: In welchen Branchen werden zerstäubte Metallteile verwendet?
A: Die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik, die Automobilindustrie und die Öl- und Gasindustrie nutzen alle maßgeschneiderte Legierungen und Mikrostrukturen, die durch die Einzigartigkeit des Zerstäubungsprozesses entstehen.